多層Ti/Al電極結(jié)構(gòu)對(duì)GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性的影響

于 寧,王紅航,劉飛飛,杜志娟,王岳華,宋會(huì)會(huì),朱彥旭*,孫 捷

（1.北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124; 2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中山分實(shí)驗(yàn)室，廣東中山 528402）

多層Ti/Al電極結(jié)構(gòu)對(duì)GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性的影響

于 寧1,王紅航2,劉飛飛1,杜志娟1,王岳華1,宋會(huì)會(huì)1,朱彥旭1*,孫 捷1

（1.北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124; 2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中山分實(shí)驗(yàn)室，廣東中山 528402）

研究了多層Ti/Al結(jié)構(gòu)電極對(duì)GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性及表面形態(tài)的影響。采用傳輸線模型對(duì)各結(jié)構(gòu)電極的比接觸電阻率進(jìn)行了測(cè)量，采用掃描電子顯微鏡對(duì)電極表面形態(tài)進(jìn)行掃描。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在同樣的退火條件下，隨著Ti/Al層數(shù)的增加，比接觸電阻率逐漸減小，表面形態(tài)趨于光滑;降低Ti/Al層的厚度會(huì)加劇Au向內(nèi)擴(kuò)散而增加比接觸電阻率，但能稍微改善表面形態(tài);Ti比例過(guò)高會(huì)影響TiN的形成導(dǎo)致比接觸電阻率增加，但能明顯改善表面形態(tài)。

高電子遷移率晶體管;歐姆接觸;退火;比接觸電阻率

1　引 言

第三代半導(dǎo)體材料GaN由于具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)、電子飽和速度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高頻、高功率、高溫度器件和藍(lán)紫光LED等領(lǐng)域[1]。GaN基GaN/AlGaN高電子遷移率晶體管（HEMT）具有高電子濃度和高電子遷移率等特性，已經(jīng)成為目前高頻功率器件和功率開關(guān)器件等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。

良好的歐姆接觸是制作高性能GaN/AlGaN HEMT器件的重要因素之一，包括低的歐姆接觸電阻和較好的表面形貌。目前實(shí)現(xiàn)GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸的方法通常是使用Ti/Al基礎(chǔ)上的多層金屬結(jié)構(gòu)，如Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Pt/Cu等[4-7]。在氮?dú)夥諊?，通過(guò)在800℃及以上溫度退火，Ti離子向半導(dǎo)體方向擴(kuò)散，在金屬與GaN界面處形成低功函數(shù)的TiN，降低了金屬與GaN之間的有效勢(shì)壘高度;同時(shí)，在半導(dǎo)體界面處形成了n型重?fù)诫s[8]，減薄了勢(shì)壘層厚度。電子通過(guò)隧穿效應(yīng)通過(guò)勢(shì)壘，從而實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸[9]。

本文設(shè)計(jì)了5種金屬層結(jié)構(gòu)的歐姆接觸電極，使用不同的層數(shù)、厚度和金屬之間的比例，采用傳輸線測(cè)試（Transmission line method，TLM）方法測(cè)量了5種電極的比接觸電阻率，同時(shí)對(duì)各電極表面進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）掃描獲得圖片信息。通過(guò)對(duì)比，得出Ti/Al金屬層參數(shù)對(duì)歐姆接觸電阻及表面形態(tài)的影響。

2　理論與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的GaN/AlGaN外延片示意圖如圖1所示。采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法在（111）晶面硅襯底上依次淀積3 758 nm的緩沖層、231 nm的本征GaN層、22.4 nm的AlGaN勢(shì)壘層、2.2 nm的GaN蓋帽層。歐姆接觸電極包括Ti/Al/Ni/Au 4種金屬，Ti作為勢(shì)壘層金屬，能形成低功函數(shù)，薄的勢(shì)壘層;Al作為覆蓋層金屬，增強(qiáng)N原子與Ti原子的固相反應(yīng);Ni作為擴(kuò)散阻擋層金屬，阻止各層互相擴(kuò)散;Au作為帽層金屬[10]。

圖1　外延結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Extensional structure diagram

歐姆接觸實(shí)驗(yàn)樣品的制備首先通過(guò)采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕的方法隔離出有源區(qū)，刻蝕時(shí)間為2 min，刻蝕深度為700 μm。然后，使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）方法在樣品表面淀積300 nm的SiO2保護(hù)臺(tái)面并在氫氟酸、氟化銨腐蝕液中腐蝕出有源區(qū)。利用光刻的方法在有源區(qū)上制作傳輸線測(cè)試（TLM）所需圖形，濺射5種結(jié)構(gòu)歐姆接觸電極，樣品1為Ti/Al/Ni/Au（150 nm/1 500 nm/400 nm/500 nm），樣品2為Ti/ Al/Ti/Al/Ni/Au（50 nm/500 nm/50 nm/500 nm/ 400 nm/500 nm），樣品3為Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au（75 nm/750 nm/75 nm/750 nm/400 nm/500 nm），樣品4為Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au（150 nm/650 nm/150 nm/ 700 nm/400 nm/500 nm），樣品5為Ti/Al/Ti/Al/ Ti/AlNi/Au（50 nm/500 nm/50 nm/500 nm/50 nm/ 500 nm/400 nm/500 nm），剝離光刻膠后形成TLM接觸圖形。在氮?dú)夥諊聦?duì)樣品進(jìn)行退火，退火溫度為800℃，退火時(shí)間為90 s。圖2為樣品示意圖，TLM測(cè)試電極邊長(zhǎng)W為70 μm，相鄰兩電極間距d分別為5，10，20，30，45 μm。

圖2　TLM測(cè)試電極圖像及截面圖Fig.2　Image and cross section diagram of TLM test electrode

傳輸線測(cè)試是在通過(guò)電流恒定的情況下，通過(guò)測(cè)量各接觸點(diǎn)之間的電壓求出各自電阻，再按照相應(yīng)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算和處理，最后求得比接觸電阻率[11]。在矩形有源區(qū)區(qū)域制作若干個(gè)間距不等的方塊，如圖3所示，邊長(zhǎng)為W（70 μm），依次在間隔d不同（5，10，20，30，45 μm）的方塊之間加恒定電流，并測(cè)出兩端電壓值，即可求得兩電極間的總電阻Rd:

其中Rc為歐姆接觸電阻，Rs為方塊電阻。所得數(shù)據(jù)擬合到如圖所示的坐標(biāo)軸中，獲得Rs和Rc，將其帶入如下表達(dá)式:

得到比接觸電阻率ρc。

圖3　TLM傳輸線模型測(cè)量曲線Fig.3　Measuring curve of TLM model

3　結(jié)果與討論

在退火的過(guò)程中，電極各金屬層中的反應(yīng)主要包括以下幾種:Ti向內(nèi)擴(kuò)散在半導(dǎo)體層界面處形成低功函數(shù)、薄厚度的TiN層，降低接觸電阻率，這對(duì)形成良好的歐姆接觸有著至關(guān)重要的作用;Ti與Al反應(yīng)形成較低電阻率和較低功函數(shù)的Ti-Al合金，有利于歐姆接觸形成;Al擴(kuò)散到金半接觸邊界形成寬禁帶AlN，增加接觸電阻率;Au向內(nèi)擴(kuò)散至金半接觸界面，提高了功函數(shù)，不利于歐姆接觸形成;Au與Ti/Al反應(yīng)形成Ti-Au-Al合金，減少Au向內(nèi)擴(kuò)散;Al向外擴(kuò)散到Au表面，破壞歐姆電極表面形態(tài)。

圖4　5種樣品的比接觸電阻率Fig.4　SPecific contact resistance of the five samPles

通過(guò)TLM測(cè)試，圖4匯總了5種樣品的比接觸電阻率。為了比較不同Ti/Al層數(shù)對(duì)歐姆接觸特性的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了樣品1、樣品3及樣品5，3種樣品歐姆接觸電極厚度相同，為2 550 nm，各金屬比例相同，Ti：Al＝1：10;不同之處在于3種樣本的Ti/Al層數(shù)不同，分別為1、2、3層。從圖4可以看出，隨著層數(shù)的增加，比接觸電阻率逐漸減小，3層Ti/Al有著最小的歐姆接觸電阻率。在單層Ti/Al結(jié)構(gòu)中，較厚的Al層不能與Ti層充分反應(yīng)，多余的Al向內(nèi)擴(kuò)散在金半界面形成AlN，AlN為寬禁帶材料，增加了接觸電阻率;同時(shí)，Al向內(nèi)擴(kuò)散也會(huì)影響TiN的形成，通過(guò)在厚的Al層中插入Ti層組成多Ti/Al層結(jié)構(gòu)，可以增加Ti與Al直接的反應(yīng)，隨著層數(shù)的增加，反應(yīng)愈加充分，有效地阻止了Al向內(nèi)擴(kuò)散，降低了接觸電阻率。

樣品2、樣品3與樣品4的Ti/Al層數(shù)相同，都為2層。樣品2與樣品3的Ti/Al比例相同，但樣品2厚度較薄;樣品4與樣品3厚度相同，但樣品4的Ti比例更高。從圖4可以看出，樣品2的電阻率略高于樣品3，這是由于Ti/Al層厚度的減小使得Au向內(nèi)金半接觸界面擴(kuò)散程度加重，提高了界面處功函數(shù);樣品3的Ti/Al層較厚，能充分與Au反應(yīng)形成Ti-Au-Al合金，有效阻止其向內(nèi)擴(kuò)散。樣品4的歐姆接觸特性較差，可能是由于Al比例較小而不能很好地催化TiN的形成。

圖5為樣品1、樣品3及樣品5的歐姆電極表面的SEM圖片及臺(tái)階儀掃描圖，SEM圖像中內(nèi)嵌光學(xué)顯微鏡圖片?？梢钥闯?，隨著Ti/Al層數(shù)的增加，表面形態(tài)更加光滑。單層Ti/Al結(jié)構(gòu)由于Ti和Al之間反應(yīng)不夠充分，Ti向Au層擴(kuò)散嚴(yán)重，高溫下Ti涌出Au表面形成凸起，使表面更為粗糙。

圖6為樣品2和樣品4的歐姆電極表面的SEM圖片及臺(tái)階儀掃描圖，SEM圖像中內(nèi)嵌光學(xué)顯微鏡圖片。樣品2的表面形態(tài)略優(yōu)于樣品3，這是由于Al層的減薄使得擴(kuò)散至Au層表面的Al減少;雖然樣品4的比接觸電阻率增加很多，但表面形態(tài)要遠(yuǎn)好于樣品3，這是由于Ti含量的增加及Al含量的減少使得Ti-Al合金增多，未反應(yīng)的Al減少，從而抑制了Al向外擴(kuò)散。

圖5　樣品1（a）、樣品3（b）及樣品5（c）的臺(tái)階儀數(shù)據(jù)（上）與SEM圖形（下），內(nèi)嵌圖像為光學(xué)顯微鏡圖像。Fig.5　SteP Profiler data（toP）and SEM graPhics（below）of samPle 1（a），samPle 3（b），and samPle 5（c）.Embedded images are oPtical microscoPe images.

圖6　樣品2（a）、樣品4（b）的SEM圖形，內(nèi)嵌圖像為光學(xué)顯微鏡圖像。Fig.6　SEM graPhics of samPle 2（a）and samPle 4（b）.Embedded images are oPtical microscoPe images.

4　結(jié) 論

在Si基HEMT外延片上，通過(guò)對(duì)基于多層Ti/Al結(jié)構(gòu)的歐姆電極與傳統(tǒng)的Ti/Al/Ni/Au歐姆電極的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在Ti：Al比例為1：10、電極金屬層總厚度不變的情況下，通過(guò)在Al層中插入Ti層形成的多層Ti/Al結(jié)構(gòu)，使得Ti與Al之間的反應(yīng)更加充分，實(shí)現(xiàn)了更小的比接觸電阻率和更好的表面形態(tài)，而且，歐姆特性隨著Ti/Al層數(shù)的增加而改善，實(shí)驗(yàn)中Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au結(jié)構(gòu)有著最好的歐姆特性。Ti/Al層的厚度不應(yīng)太薄，雖然可以稍微改善表面形態(tài)，但是由于太薄會(huì)導(dǎo)致Au向內(nèi)擴(kuò)散，TiN的形成受到影響，比接觸電阻率也有所增大;Ti層所占的比例也不應(yīng)太大，Al含量過(guò)小會(huì)影響TiN的形成，但是表面形態(tài)卻會(huì)得到很大的改善。下一步的工作將對(duì)Ti/ Al之間的比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使表面形態(tài)和歐姆接觸特性達(dá)到最佳。

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于寧（1990-）男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，2013年于常州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事GaN HEMT器件及探測(cè)器的研究。

E-mail:Yuning@emails.bjut.edu.cn

朱彥旭（1977-）男，河北秦皇島人，博士，副教授，2007年于北京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事GaN HEMT器件、半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器、太陽(yáng)能電池等半導(dǎo)體器件的研究。

E-mail:zhuYx@bjut.edu.cn

Effect of Multilayer Ti/Al Electrode Structure on AlGaN/GaN HEMT Ohmic Contact Characteristics

YU Ning1，WANG Hong-hang2，LIU Fei-fei1，DU Zhi-juan1，WANG Yue-hua1，SONG Hui-hui1，ZHU Yan-xu1*，SUN Jie1

（1.Beijing Optoelectronic Technology Lɑborɑtory，Beijing Uniυersity of Technology，Beijing 100124，Chinɑ; 2.Stɑte Key Lɑborɑtory of Electronic Thin Films ɑnd Integrɑted Deυices，Zhongshɑn Institute，Uniυersity of Electronic Science ɑnd Technology of Chinɑ，Zhongshɑn 528402，Chinɑ）*Corresponding Author，E-mɑil:zhuyx@bjut.edu.cn

The effect of multilaYer Ti/Al structure electrode on AlGaN/GaN HEMT Ohmic contact characteristics and the surface morPhologY were investigated.The sPecific contact resistance of all kinds of electrode structure was measured by transmission line model（TLM）.The scanning electron microscoPe（SEM）was used to measure the electrode surface morPhologY.The exPeriment results show that the sPecial contact resistance tend to decrease and the surface morPhologY tend to be smooth with the increasing of the number of Ti/Al laYers in the same annealing conditions.The reducing of the thickness of Ti/Al laYer can increase the sPecific contact resistance because of Au in-diffusion，but can slightlY imProve the surface morPhologY.High Ti ratio can reduce the formation of TiN，and lead to the increasing of sPecific contact resistance，but can greatlY imProve the surface morPhologY.

high electron mobilitY transistor;Ohmic contact;annealing;sPecific contact resistance

TN386.3

A DOI:10.3788/fgxb20163702.0219

1000-7032（2016）02-0219-05

2015-10-26;

2015-11-14

北京市15青年拔尖項(xiàng)目（311000543115501）;中山市科技計(jì)劃（2014A2FC305）;國(guó)家自然科學(xué)基金（61204011）;科研基地建設(shè)（PXM2015_014204_500008）資助項(xiàng)目